¿Qué tipo de actuador será adecuado para un brazo robótico muy fuerte?


27

Deseo construir un brazo robótico que pueda levantar una cantidad útil de peso (como 3-6 kg en un brazo que puede extenderse hasta aproximadamente 1,25 metros). Qué actuadores están disponibles para lograr esto. Los principales factores y puntos de diseño son:

  • No es caro
  • 5 a 6 dof
  • para montar en una plataforma móvil aún por diseñar
  • bateria cargada
  • más fuerte que los servos de hobby (al menos para las articulaciones del "hombro" y el "codo")
  • no es lento para actuar

66
Vi esto en SO principal en la barra lateral, pero pensé que la pregunta era "ejército de robots muy fuerte". Pensé que debería registrarme, por si acaso.
Matthew Frederick el

Respuestas:


27

Qué actuadores son adecuados para su aplicación depende en gran medida del tipo de brazo de robot que desee construir. Una vez que haya decidido qué tipo de brazo desea, puede elegir un actuador adecuado para cada eje .

El brazo

Suponiendo a partir de su descripción que un robot de pórtico no sería viable, entonces, dependiendo de su aplicación específica, es posible que desee considerar un brazo SCARA sobre un brazo articulado , que es lo que la mayoría de las personas piensan cuando piensan en el brazo robótico .

La gran ventaja de un brazo SCARA es que la mayor parte de su fuerza de elevación está en sus rodamientos. Las articulaciones principales del hombro, el codo y la muñeca (guiñada) están en un plano, lo que significa que los motores solo necesitan ser lo suficientemente fuertes como para producir las fuerzas laterales requeridas, no necesitan soportar el peso de los ejes restantes.

El eje Z, cabeceo y balanceo (y obviamente el agarre) tienen que trabajar contra la gravedad, pero el eje Z es fácil de manejar lo suficientemente alto como para poder soportar mucho peso, y los ejes de cabeceo, balanceo y agarre solo tienen que soportar El peso de la carga útil, no el peso de otros ejes.

6 robot UMI RTX + pinza

Compare esto con un brazo articulado, donde muchos de los ejes tienen que soportar el peso de todos los ejes más abajo de la cadena cinemática .

Robots articulados de 6 ejes de KUKA

Los actuadores

Robots de pórtico

Normalmente, un robot de pórtico utilizará actuadores lineales para los ejes X, Y y Z principales. Estos pueden ser actuadores de bajo rendimiento, baja precisión y alta fuerza, como un tornillo de avance con servoaccionamiento o accionamiento paso a paso (la fuerza y ​​el rendimiento pueden intercambiarse, pero la precisión siempre estará limitada por el contragolpe), hasta un alto rendimiento, alta precisión Motores lineales de accionamiento directo con codificadores de precisión.

El manipulador 3DOF restante generalmente requerirá un movimiento giratorio de precisión para cabeceo, balanceo y guiñada, por lo que generalmente será más adecuado un motor eléctrico (ya sea paso a paso o servo). Incluso un motor pequeño con un engranaje razonablemente alto puede resistir la gravedad contra cargas bastante altas.

Un aparte en los servomotores frente a los motores paso a paso

La diferencia entre servo (1) y paso a paso es una compensación entre la complejidad y la certeza en el control.

Un servomotor requiere un codificador para la retroalimentación de posición, mientras que un paso a paso no. Esto significa que un paso a paso es eléctricamente mucho más simple , y desde un punto de vista de control más simple si desea un bajo rendimiento.

Sin embargo, si desea aprovechar al máximo su motor (empujándolo cerca de su límite), entonces los steppers se vuelven mucho más difíciles de controlar de manera predecible. Con la retroalimentación de posición en un servo, puede ajustar el rendimiento de manera mucho más agresiva y, dado que sabe que si no alcanza su posición o velocidad objetivo, su servo loop lo descubrirá y lo corregirá.

Con un paso a paso, debe ajustar el sistema para garantizar que siempre pueda dar el paso, independientemente de la velocidad de movimiento deseada o el peso de la carga útil. Tenga en cuenta que algunas personas sugerirán agregar un codificador para detectar pasos perdidos en un motor paso a paso, pero si va a hacer eso, ¡también podría haber usado un servomotor en primer lugar!

Brazo SCARA

Con un brazo SCARA, el eje Z es probablemente el único eje lineal, mientras que los ejes restantes se pueden hacer con motor rotativo, por lo tanto, de nuevo paso a paso o servomotor. El dimensionamiento de estos motores es relativamente fácil porque el peso transportado es menos importante para muchos de ellos. El motor requerido para vencer la inercia de una carga es bastante menor que dimensionarlo para vencer la gravedad.

Brazo articulado

Con un brazo articulado, los cálculos son más complicados, ya que la mayoría de los ejes necesitarán actuadores dimensionados dependiendo tanto de mover la carga como de levantarla, pero nuevamente un motor eléctrico es el más fácil de controlar y usar.

La pinza

Finalmente está la pinza. Aquí es donde he visto la mayor variedad de actuadores. Dependiendo de sus aplicaciones, podría usar fácilmente cualquier número de actuadores diferentes.

He utilizado sistemas con pinzas accionadas por motor tradicionales, pinzas accionadas linealmente, pinzas piezoeléctricas , pinzas accionadas neumáticamente, aspiradoras y ranuras o ganchos simples, entre otros, muchos de los cuales eran específicos de la aplicación. Cuál es su carga útil típica podría cambiar significativamente el actuador que es mejor para usted. (2)

Haciendo tus calcs

Como sugiere Rocketmagnet, en última instancia, tendrá que romper su calculadora.

Deberá tener en cuenta la cinemática de su sistema, la carga máxima en cada motor (teniendo en cuenta el peor de los casos con el brazo completamente extendido si está utilizando un diseño de brazo articulado), la velocidad (un motor más pequeño con un engranaje más alto podría dar la fuerza que necesita sin la velocidad, pero un motor más robusto podría darle un par más alto con un engranaje más bajo y una velocidad más alta, etc.) y la precisión posicional que necesita.

En general, cuanto más dinero arroje al problema, mejor rendimiento (velocidad, precisión, consumo de energía) obtendrá. Pero analizar las especificaciones y tomar decisiones de compra inteligentes puede ayudar a optimizar el precio / rendimiento de su robot.

(1) Tenga en cuenta que mi experiencia es con servos industriales , típicamente motores de CC con escobillas o sin escobillas con un codificador rotatorio, por lo que esto puede o no aplicarse con los servos RC de hobby .

(2) Sugeriría publicar otra pregunta sobre esto.


Lo siento. Mi pregunta es principalmente sobre componentes. Aunque hiciste un buen comentario sobre el diseño. No había pensado en eso. Aunque sigo pensando que deseo usar un brazo "estándar" como en la segunda imagen, ya que creo que tiene un mejor rango de movimiento para ser montado en una plataforma móvil.
Mark W

pero si vas a hacer eso, ¡podrías haber usado un servomotor en primer lugar! Su publicación es excelente, pero falla al decir servo o paso a paso , ya que un paso a paso con comentarios es un servo. . Además, un motor paso a paso es un motor de corriente continua sin escobillas , y al tener muchos más polos, producirá más torque (con poca velocidad), lo que requerirá menos reducción de engranajes, aunque menos eficiente. Además, los brazos robóticos industriales tienden a tener resortes para contrarrestar o incluso más fuerza de la necesaria para contrarrestar.
Diego C Nascimento

1
Si bien en mi experiencia eres técnicamente correcto @DiegoCNascimento, en entornos industriales y de investigación, los motores paso a paso con codificadores no se llaman servos. Dado que sus características de rendimiento, comportamiento y técnicas de control son muy diferentes, no querrá que alguien suponga que se refiere a uno cuando habla del otro. Es por eso que aquí en robótica tratamos de ser explícitos sobre si estamos hablando de rcservo s, servomotor s o motor paso a paso .
Mark Booth

13

Cuando elige actuadores, es instructivo comenzar calculando cuánta potencia necesita en el efector final. Cuando dice "no demasiado lento", debe tener alguna idea de lo que esto significa, especialmente en diferentes condiciones de carga.

Por ejemplo, podría decir: 6 kg a 0.2 m / sy 0 kg a 0.5 m / s

Ahora agregue el peso estimado del brazo: 10 kg a 0.2 m / sy 4 kg a 0.5 m / s

Ahora calcule la potencia: 100N * 0.2m / s = 20W y 40N * 0.5m / s = 20W

Entonces, la potencia de salida máxima en el efector final es de 20W . Necesitará un actuador que pueda producir cómodamente más de 20W.

Voy a suponer que terminas decidiendo usar un motor eléctrico como actuador. Estos siguen siendo el actuador elegido por los potentes sistemas de robots eléctricos. (Si logra que este robot funcione con alambre muscular sin quemar su taller, me comeré el mouse).

Dado que está utilizando un motor eléctrico, seguramente utilizará algún tipo de engranaje. Suponga que el tren de engranajes en el motor es aproximadamente 50% eficiente. Esto significa que necesitará un motor eléctrico clasificado para al menos 40W. Si desea que este sea un brazo confiable, le recomendaría un motor de al menos 60W.

A continuación, debe especificar el tren de engranajes. ¿Cuál es el par necesario? 100N * 1.25m = 125Nm. Pero, como de costumbre, debe especificar más torque que este para el tren de engranajes, sobre todo porque necesitará un poco de torque adicional para poder acelerar la carga hacia arriba. Seleccione un tren de engranajes que pueda tomar más de la carga nominal.

Por último, asegúrese de que el torque del motor multiplicado por la relación de transmisión multiplicada por la eficiencia excede su requerimiento de torque, pero no la carga máxima de transmisión.


¿Qué quieres decir con pero no la carga máxima de engranajes ? Interpretaría que eso significa que no debe usar un motor que tenga suficiente torque para dañar su tren de engranajes si accidentalmente lo ordena, pero sería mejor si otros no tuvieran que aprenderlo de la manera difícil. * 8 ')
Mark Booth

@ MarkBooth - Eso es correcto. Es bastante posible que un motor rompa sus propios engranajes si la relación de transmisión es lo suficientemente alta. Vale la pena incluir eso en el cálculo.
Rocketmagnet

5

Plataforma móvil: un actuador lineal electromecánico puede ser una buena opción para un actuador ligero que se puede montar en una plataforma móvil.

Alimentado por batería: un actuador lineal electromecánico es una buena opción sobre los servomotores, ya que los actuadores lineales consumen energía solo cuando está en movimiento, y no necesita energía para mantener su posición.

5-6 DoF: puede ser difícil lograr esto usando un actuador lineal electromecánico, ya que son mecánicamente complicados y tienen un rango de movimiento limitado

Puede probar actuadores lineales en www.firgelli.com. También tienen actuadores lineales en miniatura, que son buenos para la aplicación a pequeña escala.

Concepto de diseño mecánico para brazo con actuador lineal: La mayoría de los equipos de movimiento de tierra tienen un actuador lineal hidráulico. Algunas de las uniones para actuadores lineales pueden implementarse en esta línea.


3

Hay dos factores más a considerar: Complejidad y costo.

Brazo robótico industrial como ese

brazo robótico industrial http://halcyondrives.com/images/robotic_arm.png
Imagen de http://halcyondrives.com

normalmente usa el torque de la caja de engranajes para conducir directamente la junta, ahora piense en el torque que debe soportar la reducción de engranajes y el tamaño / peso que será. Es simplemente enorme y costoso, sus materiales necesitan soportar un gran torque.

600Kgf/cm

Algunas soluciones que usa la industria

Strain Wave Gearing o unidad armónica

Strain Wave Gearing o unidad armónica
Imagen de http://commons.wikipedia.org

200:1 10:1

Pero este tipo de engranaje es muy costoso y complejo.

Resortes y contrapesos

Dibujo de motor industrial 6DOF
Imagen de http://www.globalrobots.ae

Otra solución incluso simple es agregar contrapesos como se ve en la imagen. Esto tiene un vínculo para actuar tanto en el antebrazo (se me olvida el nombre) como en el brazo. Los resortes también ayudarán, y si se montan en el mismo eje de la articulación pero un poco desplazados, ejercerán más fuerza a medida que el brazo se extienda más.

Soluciones de bajo costo y menos complejas para el sistema de accionamiento mecánico

Ahora, por un costo menor y soluciones menos complejas, lo que debería pensar es eliminar el alto torque en la transmisión por engranajes, para que pueda usar materiales menos costosos. Para una unidad electrónica pura, este sería un actuador lineal .

Existe una variedad de actuadores lineales. Pero la idea es que tomará menos fuerza (dependiendo de qué puntos del brazo esté unido).

  • "Tuerca" y tipo de husillo

actuador lineal de tornillo de avance

Este tipo de actuador tiene muchos subtipos, y eso afecta la eficiencia, el desgaste, la fuerza y ​​mucho más. Pero, en general, tienen una fuerza alta y una velocidad relativa lenta a media (esto dependerá nuevamente del tipo, puede variar rápidamente, como los que se usan en algunos simuladores de plataforma de movimiento).

Plataforma de movimiento de 6 dof con actuadores lineales eléctricos http://cfile29.uf.tistory.com/T250x250/195BAD4B4FDB0AF104C30F .

Los actuadores lineales eléctricos están sustituyendo a los actuadores lineales hidráulicos en esta aplicación, y deben ser rápidos y fuertes, algunos simuladores pesan fácilmente más de 2 toneladas.

  • Transmisión por correa o cadena

Para obtener más velocidad y otro método simple, la transmisión por correa o cadena es así

actuador de accionamiento lineal de correa
Imagen de http://images.pacific-bearing.com

Por supuesto, este es de fabricación industrial, es de bricolaje y tiene más para la aplicación: (sí, tiene espacio para muchas mejoras, pero es una buena forma de mostrar lo rápido y fuerte que puede ser incluso en este diseño ) http://bffsimulation.com/linear-act.php

50Kgf/cm50Kgf

Además, los cojinetes en este actuador necesitarán soportar la mayoría de las fuerzas radiales, donde en un "tornillo y tuerca guía" el cojinete tomará la mayor fuerza axial. Entonces, dependiendo de la fuerza, necesita usar un rodamiento de bolas de empuje .


1

Creo que su mejor opción serían los servos de hobby regulares, si no tienen suficiente torque, use múltiples servos en paralelo en la misma articulación. Una buena opción serían los servos Dynamixel de Robotis, pero son más caros que los servos de hobby, y tendrías que hackear el protocolo de comunicación ya que están controlados por ttl / rs232 / rs485, o usar un convertidor usb2dynamixel (o usb2ax). Las ventajas son su par, velocidad y precisión.